Почему вдруг?

Да, с чего вдруг возник вопрос создания усилителя без ОООС? Подтолкнули на его создание результаты измерений усилителя Проект «А» rev.1, где в результате увеличения глубины ОООС на 9 dB, общая линейность улучшилась всего на 1.5 dB. Совершенно очевидно, что улучшение линейности за счет увеличения глубины ОООС имеет свои пределы. В данном случае, усилитель имеет глубину ОС уже 70 dB и дальнейшее ее увеличение совершенно бессмысленно, т.е. это тупиковый путь. Но есть еще один, альтернативный путь создания усилителя - без ОООС.

Все в природе подчиняется законам примитивной логики, надеюсь. Именно поэтому нельзя создать ‘машину времени назад’ и вернуться в прошлое - есть возможность его изменить и тогда настоящего уже не будет (в том смысле, что оно будет уже другим). Простейшая логика. Так и в схемотехнике – сигнал, единожды прошедший через электронный элемент (лампа, транзистор, емкость, резистор и т.п.) уже становится другим, даже если искажения были совершенно незначительны, и вернуть его в исходное состояние НЕВОЗМОЖНО (По выражению философа древней Греции Гераклита: «Нельзя дважды войти в одну реку»).

В 2008 г. товарищ Nelson Pass в своей статье «Audio, Distortion and Feedback» (http://www.firstwatt.com/pdf/art_dist_fdbk.pdf) привел такое ключевое для понимания этой идеи высказывание:

«An important thing about distortion – when you run a signal through a device which is even slightly non-linear, you have changed the signal forever. You can use various techniques to reduce distortion after the fact, but you can't go back.»

Исходя из этого, становится понятна проблема, возникающая при введении ОООС – расширение спектра гармоник. Основной принцип ОООС – сигнал с выхода устройства подается на его вход. Но на вход подается уже искаженный сигнал и поэтому спектр гармоник в результате может только расшириться, несмотря на то, что общий уровень их в принципе можно снизить за счет глубины ОС (но, как я убедился - не до бесконечно малых величин). Но, даже если исходный сигнал (первый раз прошедший через устройство) имел всего две-три гармоники, то при введении ОООС спектр на выходе становится по логике (!) бесконечным – результат сложения искаженного сигнала с выхода с сигналом источника и уже обогащенный гармониками опять усиливается и затем опять подается на вход (Это как изображение в двух зеркалах, установленных напротив друг друга – уходит в бесконечность).

Очень примечательна FIG.10 в статье Nelson Pass'а (Он ее взял у John Linsley-Hood, но практически подтвердил измерениями на FIG.11):

Здесь мы видим, что при нулевой ОС спектр паразитный сигнала условного устройства состоит из, практически 3-х гармоник (со 2-й по 4-ю). Однако, при введении ОС появляются с заметными уровнями и 5-я, и 6-я. На диаграмме FIG.11 появляется даже 7-я.

При работе с реальным многотональным сигналом, насыщенном музыкальными гармониками, ситуация усложняется в еще большей степени – поданный на вход уже искаженный сложный сигнал с еще большим насыщением гармониками приводит к сложным комбинационным составляющим. И чем больше каскадов усиления, тем более обогащен результирующий сигнал гармониками. А если учесть, что заметность гармоник, якобы, зависит от квадрата их порядка, то … Все, приехали.

Примечание: Если учесть, что в некоторых предварительных усилителях используется чуть ли не десяток ОУ в канале, в каждом из которых по 4 каскада усиления, то становится понятным почему такие усилители в принципе звучать не могут несмотря на всю глубину ОС в каждом ОУ, даже очень хорошем. В УМ с применением ОУ общее количество каскадов усиления становится не меньше 7, что также не способствует получению хорошо звучащих усилителей.

Здесь и далее, я подразумеваю, что чем больше насыщен сигнал гармониками, отсутствующими в исходном сигнале, тем больше искажения. Амплитуда гармоник играет также заметную роль и ей также необходимо уделить достаточно внимания.

Вывод

Избежать всего этого безобразия возможно только в усилителях, где отсутствует передача сигнала с выхода (усилителя, каскада) на вход, т.е. без ОООС. Но при этом, достигнуть минимальных искажений (подразумевается прежде всего ширина спектра) можно только линеаризацией каскадов усиления (тока и напряжения) и уменьшением их количества. Есть возможность реализовать УМ в одном каскаде, но это считаю, все же, компромиссным вариантом, а УМ с одним каскадом УН и одним УТ выглядит для меня более предпочтительным.

Из всего вышесказанного родилась идея сделать новый усилитель Проекта «А» из тех же базовых компонентов, но уже без ОООС, а потом сравнить два подхода. Усилитель стал называться Project A-S.E.B. Почему так – станет ясно ниже.

Описание усилителя Project A-S.E.B. Delitio (Часть 1)

Эксплуатация в домашних условиях усилителей, построенных по принципам, описанным на предыдущей странице показала абсолютную оправданность выбранных параметров. Именно поэтому у нового усилителя мощностные параметры в классе А будут близкими к усилителю с ОООС. Однако необходимо подойти осмысленно к выбору параметров, о которых не особо задумываются при проектировании усилителей с ОООС – например, определению необходимого коэффициента усиления УМ. В усилителях с ОООС в большинстве случаев из-за избытка доступного усиления к нему относятся довольно расточительно, т.е. применяют усиления с существенным запасом, который приходится ‘гасить’ на регуляторе громкости. При построении же усилителя без ОООС такая расточительность неразумна, т.к. идея построить усилитель с всего одним каскадом усиления требует оптимизации весьма ограниченных ресурсов.

Новый усилитель будет развивать 10 W на 10 ohm и амплитуда сигнала на выходе будет 14.1 V. Зная, что выход CD-плеера или ЦАП обеспечивает не ниже 2.8 V в амплитуде на выходе при 0 dB, получаем минимально необходимый К=5. Поэтому, значение усиления около К=10 будет вполне достаточно.

Выход усилителя должен быть балансным, как и в предыдущем случае, но у балансного двухтактного усилителя с независимыми источниками питания есть свои нюансы. Поэтому, появилось стремление сделать балансный однотактный выход УМ (отсюда и аббревиатура S.E.B. – Single End Balanced). Это дает одно очень важное/интересное преимущество такого усилителя – постоянство потребляемого тока от блока питания (БП). А это, в свою очередь, позволяет в качестве БП применять редко используемый в High-End технике импульсный БП для УМ. Применение импульсных блоков питания в этой технике считается своего рода крамолой. Создание же такого источника может составить отдельную тему для разработки, поэтому, разумно выбрать качественное промышленное изделие с гарантированными характеристиками и надежностью. Таким оказался модуль TRACO TOP-100-124.

Почему все же импульсный БП для усилителя?

Этому есть как минимум три причины.

1. Отсутствие помех в аудио диапазоне. Если посмотреть на измерения усилителя Проект «А» с ОООС и обычным (трансформаторным) БП, например здесь, то хорошо видно, как основная частота сети и ее многочисленные гармоники заполоняют слышимый диапазон. Как ни борись с наводками от сети, они есть во всех усилителях с трансформаторным блоком питания. Импульсные блоки дают возможность избежать этого, особенно, если они работают с постоянной нагрузкой.

2. Стабильное напряжение питания УМ. Импульсные блоки имеют стабилизированный выход (отклонение напряжения на выходе не более 1% при полном диапазоне изменения напряжения на входе, от сети). Этот факт имеет особенное значение для усилителей, работающих в классе «А». При изменении напряжения питания в сети от 200 до 230 V, рассеиваемая усилителем мощность увеличивается почти на треть! Получается, что расчет УМ на максимальные параметры выходной мощности необходимо проводить при минимальном напряжении питания сети, а затем делать еще 32%-й запас по рассеиваемой мощности. В случае с импульсным БП можно совершенно не беспокоиться при изменении напряжения в сети питания от 187 до 240 V.

3. Импульсные БП, как достаточно продвинутые изделия, имеют ряд встроенных блокировок – ограничение по току и т.п. В этом случае отпадает необходимость делать ограничение по току в выходном каскаде усилителя. Из эмиттерных/истоковых цепей выходных транзисторов исключаются токочуствительные резисторы, что улучшает характеристики каскада.

В общем, схема усилителя приведена ниже:

На входе стоят полипропиленовые конденсаторы WIMA MKP4 250V достаточно большой емкости, чтобы обеспечить полосу пропускания «снизу» как у усилителя с ОООС. «Сверху» же ситуация кардинально другая. И она в пользу нового усилителя. Понятно, что усилители без ОООС с малым количеством каскадов весьма широкополосны и, в данном случае, при использовании указанных выше активных и пассивных элементах, расчетная полоса пропускания по уровню -3 dB составляет 0.32 … 670 000 Hz. В полосе частот 20 … 20 000 Hz отклонение фазы составляет всего +/-1.4 град.

Хорошие динамические характеристики получены благодаря заложенному высокому быстродействию - если не учитывать входной фильтр, то скорость нарастания сигнала составляет более 100 V/uS.

Структура усилителя весьма проста – первый каскад УН, а второй УТ для согласования с нагрузкой. В дифференциальном каскаде используется сборка FDS3601 с чрезвычайно низкой проходной емкостью. Здесь это особо важно, т.к. каскодное включение в данном случае не применяется отчасти из-за недостаточного «места» (напряжения питания) для него. В настоящее время данная сборка не выпускается, но вместо нее можно с успехом применить FDC3601N, обеспечив достаточный теплоотвод применением соответствующих полигонов на плате. Ток покоя каждого транзистора выбран 26.5 mA. Его задает источник на транзисторах Q1, Q2, Q3. Особое внимание было уделено высокому выходному сопротивлению и термостабильности.

Ключевым подходом к получению достаточно высокой линейности УН является не использование линейных характеристик полевых транзисторов, а применение транзисторов с высокой крутизной передаточной характеристики с тем, чтобы линеаризовать каскад последовательно установленными резисторами (R5, R21). Аналогичная ситуация с УТ – планарные транзисторы FQP50N06L с очень высокой Forward Transconductance в рабочей точке при относительно небольших паразитных емкостях позволяют получить повторитель с низкими искажениями за счет максимально возможного приближения коэффициента передачи по напряжению к 1 и обеспечить низкое выходное сопротивление (меньше 0.28 ohm) даже учитывая балансное включение нагрузки. В качестве выходных транзисторов можно применить также FQP33N10L, но линейность усилителя может немного снизиться.

Операционные усилители используются как им и положено – в качестве ‘инструментальных’ средств для стабилизации токов источников (ИТ) на М2 и М4. Ток покоя после проверки термо режима усилителя в конечном итоге выбран 1.43 А. Схема с указанными на ней активными элементами вполне работоспособна и при токе покоя в плече до 1.8 А (подбирается резистором R18), но для реализованной конструкции усилителя это оказалось немного горячо для долговременной и безопасной для окружающих работы - температура некоторых доступных точек корпуса заметно превышала 70°С. К сожалению, балансный однотактный вариант представляет собой самый малоэффективный способ расходования электроэнергии – здесь КПД не превышает 14% при токе покоя 1.8 А (12 W/8 Ohm, потребление 89 W). И в окончательном варианте с током покоя 1.43 А он составил тоже всего 14% (10 W/10 Ohm при потреблении 71 W).

Выбранные ОУ хороши тем, что допускают напряжение на входах всего на 0.5 V выше питания минусовой шины. Они могут быть заменены на AD823, а вот любые другие замены ОУ необходимо тщательно прорабатывать. Резисторы R13 и R14 представляют собой сборки из 4-х 1 W SMD резисторов по 3.92 ohm.

Резистор R2 состоит из 2-х двухваттных WSL2816 по 0.1 ohm каждый.

Для настройки усилителя требуется всего лишь один переменный резистор, которым выставляют ноль на выходе после окончательного прогрева (не менее полутора часов). Резистор R29 состоит из двух последовательно включенных – постоянного на 100 kohm и переменного 1 kohm. В одном из усилителей для нормальной балансировки пришлось резистор R28 собирать из 100 kohm и 820 ohm.

Описание усилителя (Часть 2)

Создание страницы: 12.01.2014 Последнее обновление: 19.01.2016